Een snelle en chemische-vrij hemoglobine Assay met Fotothermisch Angular Light Scattering
Summary
A photo-thermal angular light scattering (PT-AS) sensor enables the rapid and chemical-free hemoglobin assay of nanoliter-scale blood samples. Here, details of the PT-AS setup and a measurement protocol for the hemoglobin concentration in blood are provided. Representative results for anemic blood samples are also presented.
Abstract
Fotothermische hoek lichtverstrooiing (PT-AS) is een nieuwe optische werkwijze voor het meten van de hemoglobineconcentratie ([Hb]) bloedmonsters. Op grond van de intrinsieke fotothermische respons hemoglobinemolecules de sensor maakt hoge gevoeligheid, chemicaliën meting van [Hb]. [Hb] detectievermogen met een maximum van 0,12 g / dl in het bereik van 0,35-17,9 g / dl eerder aangetoond. De werkwijze kan gemakkelijk worden uitgevoerd met behulp van goedkope elektronische inrichtingen zoals een laser pointer en een webcam. Het gebruik van een micro-capillair bloed als houder maakt ook de hemoglobine test met een nanoliter-schaal bloedvolume en lage bedrijfskosten. Hier, gedetailleerde instructies voor de PT-AS optische opstelling en signaalverwerking procedures worden gepresenteerd. Testprotocollen en representatieve resultaten voor bloedmonsters bij anemische toestand ([Hb] = 5,3, 7,5 en 9,9 g / dl) zijn ook aanwezig en de metingen worden vergeleken met die froma hematologie analyzer. De eenvoud in uitvoering en de werking moet zijn brede adoptie in klinische laboratoria en instellingen met beperkte middelen mogelijk te maken.
Introduction
Een bloedonderzoek wordt gewoonlijk uitgevoerd om de algemene gezondheid te evalueren en biomarkers in verband met bepaalde ziekten detecteren. Bijvoorbeeld, de cholesterolconcentratie in het bloed is een maat voor hyperlipidemie, die nauw verwant aan hart- en vaatziekten en pancreatitis. De inhoud van de bloedglucose moet regelmatig worden gemeten, omdat de glucose-niveau wordt geassocieerd met complicaties, zoals diabetische ketoacidose en hyperglycemische hyperosmolar syndroom. Ernstige ziekten zoals malaria, humaan immunodeficiëntie virus en verworven immunodeficiëntie-syndroom gediagnosticeerd door bloedonderzoeken en kwantificering van bloedbestanddelen zoals erytrocyten, trombocyten en leukocyten maakt screening van alvleesklier- en nierziekten.
Hemoglobine (Hb), een kritische component van het bloed, maakt ongeveer 96% van erytrocyten en transporteert zuurstof menselijke organen. Belangrijke wijziging van zijn massa concentratie ([Hb]) mag mij aangeventabolic veranderingen, hepatobiliaire ziekte en neurologische, cardiovasculaire en endocrinologische aandoeningen 1. [Hb] is dan ook routinematig gemeten in bloedtesten. In het bijzonder, anemische patiënten, dialysepatiënten, en zwangere vrouwen wordt ten zeerste aanbevolen [Hb] de monitor als een belangrijke taak 2.
Diverse [Hb] detectiemethoden zijn derhalve ontwikkeld. De hemoglobine cyanide werkwijze worden één van de meest gebruikte technieken voor [Hb] kwantificering, telt kaliumcyanide (KCN) aan de lipide dubbellaag van erytrocyten 3 vernietigen. De cyanide hemoglobine geproduceerd door de chemische vertoont hoge absorptie rond 540 nm; vandaar [Hb] metingen worden via colorimetrische analyse. Deze methode wordt algemeen gebruikt vanwege zijn eenvoud, maar de gebruikte chemicaliën (bijv KCN en dimethyllaurylamine oxide) zijn toxisch voor mens en milieu. De hematocriet systeem meet de volumeverhouding van rode bloedcellen in vergelijking met het totale volume bloedUme door middel van centrifugale scheiding; maar het vereist een relatief grote bloedvolume (50-100 pl) 4. Spectrofotometrie methoden maatregel [Hb] precies zonder enige chemicaliën, maar metingen bij verschillende golflengten en een groot bloedvolume nodig 5,6. Zo hebben verschillende optische meetmethoden [Hb] voorgesteld inclusief detectiemethoden basis van lichtverstrooiing, maar hun meetnauwkeurigheden sterk afhankelijk van de nauwkeurigheid van het theoretische model bloed.
Om deze beperkingen te overwinnen, hebben [Hb] detectiemethoden gebaseerd op de fotothermische (PT) effect van Hb recentelijk voorgesteld 7. Hb, die hoofdzakelijk bestaat uit ijzeroxiden, absorbeert licht bij 532 nm en zet de lichtenergie in warmte 8-10. Deze temperatuurverhoging PT kan optisch worden gedetecteerd door het meten van een verandering in de brekingsindex (RI) van bloedmonsters. Yim et al. loondienst spectrale-domein optische coherentie reflectometry de PT optische weglengte verandering in een met bloed bevattende kamer 11 te meten. Hoewel de methode kunnen chemicaliën en directe [Hb] meten, kan het gebruik van een spectrometer en een interferometrische rangschikking zijn miniaturisatie belemmerd. We hebben onlangs een alternatief [Hb] detectiemethode, genoemd fotothermische hoek lichtverstrooiing (PT-AS) sensor, die meer geschikt is voor miniaturisering inrichting 12. De PT-AS sensor maakt gebruik van de hoge gevoeligheid van de RI-back verstrooiing interferometrie (BSI) naar PT veranderingen in de RI van een bloedmonster in een capillair te meten. BSI zijn gebruikt voor het meten van verschillende oplossingen RI 13-15 en biochemische interacties in vrije oplossing 16 controleren. De PT-AS sensor maakt gebruik van soortgelijke optische opstelling als bij BSI, maar combineert fotothermische excitatie setup om PT toename van de RI in bloedstalen te meten. Werkingsprincipes van de BSI en de PT-sensoren worden in detail elders <sup> 12,15. PT-AS sensor toonde hoge gevoeligheid [Hb] meten over een breed detectiebereik (0,35-17,9 g / dl) en kan werken met monstervolumes <100 nl. Geen preconditionering van bloedmonster wordt vereist, en de meettijd is slechts ~ 5 sec. Hier, de experimentele opstelling en een gedetailleerde meting protocol beschreven. Representatieve PT-AS resultaten worden gebruikt bloedmonsters van anemische patiënten en de resultaten worden vergeleken met die van een hematologie-analyse om de correctheid van de PT-AS sensor beoordelen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De PT-AS sensor vertegenwoordigt een volledig optisch werkwijze kan directe [Hb] meten van onbewerkte bloedmonsters. De methode kwantificeert [Hb] in het bloed met behulp van de intrinsieke PT reactie van hemoglobine moleculen in erytrocyten. Onder verlichting door 532-nm licht, Hb moleculen absorberen het licht energie en warmte produceren. De resulterende temperatuurstijging verandert de RI van het bloedmonster. De hoge RI gevoeligheid van BSI werd benut om deze verandering RI in het bloed te meten. Eerder hebben we a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This research was supported by the research programs of the National Research Foundation of Korea (NRF) (NRF-2015R1A1A1A05001548 and NRF-2015R1A5A1037668).
Materials
| 650nm laser pointer | LASMAC | LED-1 | Probe light |
| Hollow round glass capillaries | Cm Scientific | CV2033 | Blood sample container |
| Webcam | Logitech | C525 | CMOS optical sensor |
| 532-nm DPSS laser | CNI Laser | MGL-Ⅲ-532 | Photothermal light source |
| Optical chopper system | Thorlabs | MC2000-EC | Optical chopper |
| Plastic long-pass filter | Edmund Optics | #43-942 | To reject 532-nm PT excitation light |
| Fiber clamp | Thorlabs | SM1F1-250 | Capillary tube fixture |
| EDTA coated blood sampling tube | Greiner Bio-One | VACUETTE 454217 | Blood sampling & anticoagulating |
| Hematology analyzer | Siemens AG | ADVIA 2120i | Reference hematology analyzer |
References
- Mokken, F. C., Kedaria, M., Henny, C. P., Hardeman, M., Gelb, A. The clinical importance of erythrocyte deformability, a hemorrheological parameter. Ann. Hematol. 64 (3), 113-122 (1992).
- Rosenblit, J., et al. Evaluation of three methods for hemoglobin measurement in a blood donor setting. Sao Paulo Medical Journal. 117 (3), 108-112 (1999).
- Van Kampen, E., Zijlstra, W. Standardization of hemoglobinometry II. The hemiglobincyanide method. Clin. Chim. Acta. 6 (4), 538-544 (1961).
- Billett, H. H. Hemoglobin and hematocrit. Clinical Methods: The History, Physical, and Laboratory Examinations. 3, (1990).
- Kuenstner, J. T., Norris, K. H., McCarthy, W. F. Measurement of hemoglobin in unlysed blood by near-infrared spectroscopy. Appl. Spectrosc. 48 (4), 484-488 (1994).
- Zwart, A., et al. A multi-wavelength spectrophotometric method for the simultaneous determination of five haemoglobin derivatives. Clin. Chem. Lab. Med. 19 (7), 457-464 (1981).
- Kwak, B. S., et al. Direct measurement of the in vitro hemoglobin content of erythrocytes using the photo-thermal effect of the heme group. Analyst. 135 (9), 2365-2371 (2010).
- Lapotko, D., Lukianova, E. Laser-induced micro-bubbles in cells. International Journal of Heat Mass Transfer. 48 (1), 227-234 (2005).
- Lapotko, D. O. Laser-induced bubbles in living cells. Lasers in surgery and medicine. 38 (3), 240-248 (2006).
- Lapotko, D. O., Romanovskaya, T. y. R., Shnip, A., Zharov, V. P. Photothermal time-resolved imaging of living cells. Lasers in surgery and medicine. 31 (1), 53-63 (2002).
- Yim, J., et al. Photothermal spectral-domain optical coherence reflectometry for direct measurement of hemoglobin concentration of erythrocytes. Biosens. Bioelectron. 57, 59-64 (2014).
- Kim, U., et al. Capillary-scale direct measurement of hemoglobin concentration of erythrocytes using photothermal angular light scattering. Biosens. Bioelectron. 74, 469-475 (2015).
- Sørensen, H. S., Larsen, N. B., Latham, J. C., Bornhop, D. J., Andersen, P. E. Highly sensitive biosensing based on interference from light scattering in capillary tubes. Appl. Phys. Lett. 89 (15), 151108 (2006).
- Swinney, K., Markov, D., Bornhop, D. J. Ultrasmall volume refractive index detection using microinterferometry. Rev. Sci. Instrum. 71 (7), 2684-2692 (2000).
- Tarigan, H. J., Neill, P., Kenmore, C. K., Bornhop, D. J. Capillary-scale refractive index detection by interferometric backscatter. Anal. Chem. 68 (10), 1762-1770 (1996).
- Bornhop, D. J., et al. Free-solution, label-free molecular interactions studied by back-scattering interferometry. science. 317 (5845), 1732-1736 (2007).
- Yang, X., et al. Simple paper-based test for measuring blood hemoglobin concentration in resource-limited settings. Clin. Chem. 59 (10), 1506-1513 (2013).
- Zhu, H., et al. Cost-effective and rapid blood analysis on a cell-phone. Lab Chip. 13 (7), 1282-1288 (2013).
- Pogačnik, L., Franko, M. Detection of organophosphate and carbamate pesticides in vegetable samples by a photothermal biosensor. Biosens. Bioelectron. 18 (1), 1-9 (2003).
